羅大成,劉延飛,王照峰,劉志國,王秋妍

(1.火箭軍工程大學(xué)理學(xué)院，陜西 西安 710025；2.中國人民解放軍75833部隊(duì)，廣東 廣州 510510；3.火箭軍工程大學(xué)科研部，陜西 西安 710025；4.火箭軍工程大學(xué)三系，陜西 西安 710025)

3D打印技術(shù)在武器裝備維修中的應(yīng)用研究

羅大成1,2,劉延飛1,王照峰3,劉志國4,王秋妍1

(1.火箭軍工程大學(xué)理學(xué)院，陜西 西安 710025；2.中國人民解放軍75833部隊(duì)，廣東 廣州 510510；3.火箭軍工程大學(xué)科研部，陜西 西安 710025；4.火箭軍工程大學(xué)三系，陜西 西安 710025)

21世紀(jì)初期，3D打印技術(shù)在金屬零部件制造的應(yīng)用取得了重大突破，并開始應(yīng)用于飛機(jī)、火箭等裝備部分零部件的制造，這為該技術(shù)在武器裝備維修中的應(yīng)用提供了契機(jī)。為了探討3D打印技術(shù)在武器裝備維修中的應(yīng)用，介紹了國內(nèi)外3D打印技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀、基本原理及其分類。總結(jié)了目前公開發(fā)布3D打印機(jī)采用材料的種類及打印產(chǎn)品的最大尺寸，現(xiàn)有3D打印技術(shù)制作的零部件的最大尺寸可達(dá)立方米級(jí)，可以滿足武器裝備絕大部分零部件的制作需求。分析了目前武器裝備維修存在的問題，以及3D打印技術(shù)在裝備維修中應(yīng)用的優(yōu)勢。探討了3D打印技術(shù)在裝備維修中的應(yīng)用，包括在復(fù)雜結(jié)構(gòu)件中、組合件一體化成型和復(fù)雜結(jié)構(gòu)件維修中的應(yīng)用，以及實(shí)物備份和3D打印設(shè)備相結(jié)合的新型保障模式，并總結(jié)了3D打印技術(shù)在裝備維修應(yīng)用中需要解決的技術(shù)問題。研究表明，3D打印技術(shù)在武器裝備維修方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

航空航天； 智能制造； 3D打??； 增材制造； 快速成型技術(shù)； 一體化成型； 發(fā)動(dòng)機(jī)

0 引言

3D打印技術(shù)的專業(yè)術(shù)語為“快速成型技術(shù)”，是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)[1]。理論上只要有3D模型電子設(shè)計(jì)圖紙及打印材料，就可以根據(jù)需要，采用3D打印技術(shù)快速制造出各種部件。因此3D打印技術(shù)被廣泛應(yīng)用于小批量和復(fù)雜零部件的制造，在武器裝備研制、制造和維修以及戰(zhàn)場搶修等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

近年來，3D 打印技術(shù)在我國日益受到重視。其關(guān)鍵技術(shù)研究不斷取得突破，性能不斷提升，在軍民用領(lǐng)域的應(yīng)用取得重要進(jìn)展[1]。這些都為3D打印技術(shù)在我國武器裝備維修中的應(yīng)用提供了契機(jī)。本文主要初步探討3D打印技術(shù)在我國裝備維修中的應(yīng)用優(yōu)勢及可能的應(yīng)用領(lǐng)域。

1 3D打印技術(shù)的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

3D打印技術(shù)的研究始于1892年J.E.Blanther提出疊層制造原理[2]，然而受限于打印材料和打印方法，3D打印技術(shù)的發(fā)展一直比較緩慢。直到20世紀(jì)80年代，3D打印的新方法不斷涌現(xiàn)并逐步成熟、材料不斷豐富，使得3D打印技術(shù)開始飛速發(fā)展，各種3D打印原理樣機(jī)不斷出現(xiàn)。3D打印產(chǎn)品被廣泛應(yīng)用于食品、建筑、醫(yī)療衛(wèi)生、航空航天等多個(gè)領(lǐng)域，可以制造食品、骨骼、器官、飛機(jī)起落架、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴、太空基地等多種產(chǎn)品[3]。從2010年開始，各大國紛紛制定了發(fā)展3D打印技術(shù)的計(jì)劃或政策，大量企業(yè)進(jìn)入3D打印領(lǐng)域，初步形成了3D打印技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)業(yè)鏈。

從20 世紀(jì) 70 年代末至今，3D打印技術(shù)的發(fā)展大致經(jīng)歷了概念階段、實(shí)驗(yàn)室階段、萌芽階段、培育階段和發(fā)展階段這五個(gè)階段[2-3]，其發(fā)展歷程如圖1所示。

圖1 3D打印技術(shù)發(fā)展歷程示意圖

近年來，3D打印技術(shù)在金屬零部件的制造上取得了很大進(jìn)展，各大國紛紛開始探討其在武器裝備制造與維修中的應(yīng)用，如美國NASA某型火箭采用3D打印制造的點(diǎn)火裝置通過點(diǎn)火試驗(yàn)，美國的F22戰(zhàn)斗機(jī)以及我國的殲-15、殲-31均采用了3D打印技術(shù)制造的零部件。美國還于2012 年和2013 年部署了兩個(gè)基于3D 打印技術(shù)的移動(dòng)遠(yuǎn)征實(shí)驗(yàn)室，驗(yàn)證基于3D打印技術(shù)的裝備維修保障[1-4]，積極探索3D 打印技術(shù)在裝備維修保障中的應(yīng)用。3D打印技術(shù)制造金屬零部件的工藝主要有激光燒結(jié)技術(shù)(selective laser sintering，SLS)、電子束選區(qū)熔化(electrom beam melting,EBM)、激光選區(qū)熔化(selective laser melting，SLM)[5-6]和激光直接沉積法(laser engineered net shaping， LENS)等，其發(fā)展現(xiàn)狀及歷程可參見文獻(xiàn)[1]、 文獻(xiàn)[7]～文獻(xiàn)[9],本文不再贅述。

根據(jù)國外公開發(fā)布的3D打印機(jī)產(chǎn)品，打印材料包括熱塑塑料、尼龍、特制剛性透明材料、聚丙烯、橡膠材料、高性能復(fù)合材料、光敏樹脂、鋁粉、玻璃纖維、碳纖維、不銹鋼、鈷鉻鉬合金、模具鋼、鈦合金、純鈦和鎳基合金等，涵蓋了目前絕大部分工業(yè)產(chǎn)品采用的材料類型，基本可以滿足目前工業(yè)產(chǎn)品的制造需求。目前采用特制尼龍絲材為原材料的3D打印機(jī)代表產(chǎn)品主要有美國Stratasys公司生產(chǎn)的Fortus 900mc，其3D打印產(chǎn)品的規(guī)格可達(dá)(2 772×1 683×2 281)mm；采用光敏樹脂為原材料的3D打印機(jī)代表產(chǎn)品主要有德國envisontec公司生產(chǎn)的Perfactory Xtreme，其3D打印產(chǎn)品的規(guī)格可達(dá)(2 560×3 200×1 600)mm；采用不銹鋼、鈦合金等金屬材料為原材料的3D打印機(jī)代表產(chǎn)品主要有德國EOS GMBH公司生產(chǎn)的EOS M280，其3D打印產(chǎn)品的規(guī)格可達(dá)(2 200×1 070×2 290)mm。由此可見，3D打印技術(shù)制作的零部件的尺寸可達(dá)立方米級(jí)，能夠滿足武器裝備絕大部分零部件的制作需求。

2 3D打印技術(shù)在武器裝備維修中應(yīng)用的優(yōu)勢

2.1 武器裝備維修現(xiàn)狀分析

武器裝備在使用過程中，不可避免會(huì)出現(xiàn)由于零部件損壞或失效造成的故障。目前對(duì)于零部件故障的維修，大多采用備份零部件對(duì)損壞零部件進(jìn)行替換的方式進(jìn)行裝備維修。這種裝備維修模式，雖然可以在武器裝備發(fā)生零部件故障時(shí)快速維修，保持和恢復(fù)武器裝備的性能，但是仍然存在如下問題[10-12]。

①保障過量。武器裝備通常為高科技裝備，且武器系統(tǒng)組成復(fù)雜，使用的零部件也成千上萬。武器裝備的高科技特性意味著隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，其更新?lián)Q代也較快。一旦武器裝備退出現(xiàn)役，該裝備的零備件也隨之報(bào)廢。如果所有的零部件都存在大量實(shí)物備份，可能會(huì)出現(xiàn)在武器裝備服役到退役的有限時(shí)間里，大量備份零部件因從未得到使用而大量浪費(fèi)。

②保障不足。武器裝備使用零部件種類繁多，各種零部件的使用時(shí)間以及出現(xiàn)故障的概率各不相同，尤其是在戰(zhàn)場上，各種零部件損壞的情況更加難以預(yù)測。如果所有的零部件都按相同的數(shù)量進(jìn)行備份，則可能出現(xiàn)部分零部件存在較大富余、部分零部件卻不夠用的情況。

③保障效率不高。武器裝備使用的零部件數(shù)量巨大、種類繁多，不可能將所有的零部件都攜帶至武器裝備使用場地，且采用人工在大量的零部件中找到所需的備份零部件，時(shí)間難以得到保證。如果武器裝備的某些零部件出現(xiàn)故障，而現(xiàn)場找不到備用零部件進(jìn)行替換，或者不能及時(shí)進(jìn)行損壞零部件的更換，都有可能影響武器的使用。

④維修工藝要求較高。現(xiàn)代武器裝備使用的零部件，絕大部分對(duì)維修工藝較高的要求，需要專用維修設(shè)備，有的零部件還需要專用的維修工具和專業(yè)的技術(shù)人員。

2.2 應(yīng)用3D打印技術(shù)的優(yōu)勢

將3D打印技術(shù)應(yīng)用于裝備維修，則能夠解決傳統(tǒng)裝備維修保障存在的幾大問題，具體如下。

①解決保障過量和保障不足問題。在未來戰(zhàn)爭中，一旦武器裝備出現(xiàn)零部件損傷，利用3D 打印技術(shù)可以直接在戰(zhàn)場上把所需要的零部件“打印”出來，從而及時(shí)、精確地完成受損裝備的維修保障，快速恢復(fù)作戰(zhàn)能力。

②解決裝備維修效率不高的問題。在裝備維修中應(yīng)用3D 打印技術(shù)，可以將攜帶實(shí)物零部件轉(zhuǎn)換為攜帶3D打印機(jī)和打印材料，從根本上解決了難以攜帶全部備份零部件的問題；還可以將所攜帶零部件實(shí)物轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫中3D模型數(shù)據(jù)，使裝備維修的針對(duì)性將更加明確，裝備維修的速度將得到較大的提高。

③解決復(fù)雜零部件生產(chǎn)周期長的問題[12]。從3D設(shè)計(jì)到零件的加工完成只需幾小時(shí)到幾十小時(shí)，整個(gè)生產(chǎn)過程數(shù)字化，可隨時(shí)修正、隨時(shí)制造。3D打印的過程與零部件的復(fù)雜程度無關(guān)，是真正的自由制造。對(duì)于一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜零部件的制造，采用3D打印技術(shù)后生產(chǎn)周期明顯縮短。

④彌補(bǔ)裝備維修設(shè)備建設(shè)滯后的現(xiàn)狀，提升保障能力。武器裝備技術(shù)含量高，維修工藝要求更高，較多零部件的維修需要專用的維修設(shè)備和維修工具。但是有些修理廠或維修廠因?yàn)橄鄳?yīng)的修理設(shè)備、工具跟不上發(fā)展需求，所以在具體組織、實(shí)施裝備保障上有一定難度，這在一定程度上影響和制約著武器裝備維修保障能力的提高。采用3D打印技術(shù)，通過預(yù)先準(zhǔn)備零部件的3D模型數(shù)據(jù)，維修人員不僅可以直接制造出所需的零部件，還可以借助網(wǎng)絡(luò)和生產(chǎn)廠家聯(lián)系，獲得維修工具的相關(guān)數(shù)據(jù)資料，并現(xiàn)場打印維修所急需的維修工具；必要時(shí)，還可由后方設(shè)計(jì)人員根據(jù)前線維修需求臨時(shí)設(shè)計(jì)新的維修工具，改善裝備維修設(shè)備建設(shè)滯后的現(xiàn)狀，提升保障能力。

3 3D打印技術(shù)在武器裝備維修中的應(yīng)用初探

3.1 在結(jié)構(gòu)件生產(chǎn)中的應(yīng)用

采用3D打印技術(shù)，可以在戰(zhàn)場環(huán)境中對(duì)損壞武器裝備進(jìn)行直接制作。目前，我國采用3D打印技術(shù)制作零部件的應(yīng)用實(shí)例如表1所示[13-15]。

表1 國內(nèi)3D打印零部件應(yīng)用實(shí)例

我國還研制成功了目前世界上最大成形空間的快速制造裝備，即1.2 m×1.2 m的“立體打印機(jī)”(基于粉末床的激光燒結(jié)快速制造裝備)。該3D打印機(jī)尤其適合動(dòng)力裝備、航空航天、汽車等高端產(chǎn)品上的關(guān)鍵零部件制造，如空心渦輪葉片、渦輪盤、發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管、發(fā)動(dòng)機(jī)缸體和缸蓋等[16]。

2015年7月，在北京舉辦的“國防科技工業(yè)軍民融合發(fā)展成果展”中，北京航空航天大學(xué)的展板介紹了近50件3D打印的大型關(guān)鍵鈦合金、超高強(qiáng)度鋼構(gòu)件。這些構(gòu)件通過了大型客機(jī)、大型運(yùn)輸機(jī)、艦載機(jī)、新型火箭等裝備的動(dòng)強(qiáng)度、靜強(qiáng)度、疲勞壽命、震動(dòng)、沖擊等全尺寸零件試驗(yàn)測試。

由以上國內(nèi)應(yīng)用實(shí)例可以看出，3D打印技術(shù)制備的零部件滿足航空航天裝備的使用要求。由此可以推斷，武器系統(tǒng)中復(fù)雜的零部件完全可能采用3D打印技術(shù)進(jìn)行制作。

3.2 在組合件一體化成型中的應(yīng)用

零部件的組裝是航空、航天制造產(chǎn)業(yè)需要重點(diǎn)考慮的問題。一般而言，產(chǎn)品的組成部件越多，組裝耗費(fèi)的時(shí)間和成本就越高。

3D打印技術(shù)能實(shí)現(xiàn)零部件一體化成型，省去了零部件組裝的麻煩。如民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)LeapX的一些關(guān)鍵組合件(包括燃油噴嘴)就是通過3D打印技術(shù)制造的。若采用傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝，制造1個(gè)燃油噴嘴，需要生產(chǎn)20多個(gè)零部件并進(jìn)行組合，而采用3D打印技術(shù)可以一體化成型制造，且制造出的產(chǎn)品和傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)的同類產(chǎn)品相比，質(zhì)量減輕了25%，使用壽命也延長了將近5倍。由此可見，采用3D打印技術(shù)進(jìn)行部分組合件的一體化成型制造，可以降低制造成本及維護(hù)成本。武器裝備中存在大量的組合零部件，這些零部件也可以考慮采用3D打印技術(shù)進(jìn)行一體成型制造。

3.3 在結(jié)構(gòu)件維修中的應(yīng)用

3D打印技術(shù)的一個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)，就是可以根據(jù)零部件的3D數(shù)字模型，對(duì)老舊或損傷零部件進(jìn)行維修與工裝。目前，國內(nèi)外已經(jīng)有采用3D打印技術(shù)對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)件進(jìn)行維修的實(shí)例，如表2所示[17-21]。

表2 國內(nèi)外采用3D打印技術(shù)維修復(fù)雜零部件實(shí)例

由表2所示的成功維修案例可知，3D打印技術(shù)也完全可以應(yīng)用于武器系統(tǒng)受損部件維修?；?D打印技術(shù)，一些特制的3D打印機(jī)則可根據(jù)相應(yīng)3D建模技術(shù)中所存儲(chǔ)的完好零件的形狀與尺寸，對(duì)武器裝備損傷部分進(jìn)行噴印修復(fù)。對(duì)于磨損程度未達(dá)到更換標(biāo)準(zhǔn)的備用件，諸如磨損的軸承、發(fā)射車輪胎部件，也可以通過3D打印技術(shù)進(jìn)行小范圍的修補(bǔ)，大大降低更換零部件的成本。

3.4 新型保障模式探討

武器裝備的常用備份零部件種類繁多，以某型武器裝備為例，該型武器的備附件及配套工具主要有以下十大類：①各種裝備、車體；②各種面板、架體、支桿；③防塵蓋、藥盒蓋、接頭堵蓋、裙保護(hù)蓋等金屬蓋；④各種閥門；⑤傳動(dòng)箱和軸套；⑥驅(qū)動(dòng)軸；⑦各種軟硬導(dǎo)管(氣、液管路)；⑧各種連接線；⑨各種輪胎、車輪；⑩各種密封件、螺釘、墊片等。

這十大類的零部件中，有一些結(jié)構(gòu)簡單、體積較小，且目前對(duì)應(yīng)的傳統(tǒng)工藝有較強(qiáng)制造能力，如架體、支桿、連接線、螺釘和墊片等，這類零部件采用實(shí)物備份比較合適。而另一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸較大且需要專門車間才能制造的零部件，如車體、防塵蓋等各種金屬蓋、傳動(dòng)箱和軸套以及驅(qū)動(dòng)軸等，可能采用3D打印技術(shù)進(jìn)行制造的成本更低、制造時(shí)間更短、需要的配套設(shè)施更少。因此，武器裝備的維修模式可以考慮采用實(shí)物備份和3D打印設(shè)備備份相結(jié)合的模式。

3.5 需要解決的技術(shù)問題

就目前國內(nèi)外3D打印機(jī)產(chǎn)品的制備能力而言，在裝備維修中應(yīng)用3D打印技術(shù)仍需要解決以下問題。

①備份零部件的3D數(shù)字模型。目前備份零部件都是以實(shí)物的形式進(jìn)行備份，各種零部件的材料也是以紙質(zhì)圖紙為主。若采用3D打印技術(shù)進(jìn)行制造，必需制作零部件的3D數(shù)字模型。

②零部件材料的通用性分析。裝備的零部件種類繁多，涉及的材料也多種多樣。有些零部件的材料可以通用，如各種螺釘有以特種鋼為材料的，也有以合金為材料的，只要性能指標(biāo)如靜強(qiáng)度、動(dòng)強(qiáng)度、疲勞壽命、沖擊、震動(dòng)等參數(shù)接近，即可以通用或者統(tǒng)一采用性能更佳的材料。采用通用化分析，可以減少3D打印機(jī)的數(shù)量和打印材料的種類。

③3D打印機(jī)的優(yōu)化配置。3D打印產(chǎn)品的最大尺寸取決于3D打印設(shè)備的尺寸，需要制造零部件產(chǎn)品的尺寸越大，則采用的3D打印設(shè)備也就越大。就國內(nèi)的3D打印設(shè)備而言，若需要制備或修復(fù)長寬高分別達(dá)到納米級(jí)的復(fù)雜零部件，則需要類似國家3D打印實(shí)驗(yàn)中心的一整套設(shè)備；若需要制造的零部件的長寬高均為分米級(jí)，則采用市場上銷售的3D打印機(jī)即可滿足要求。同時(shí)，由于3D打印的原理各不相同，每臺(tái)3D打印設(shè)備可使用的原材料的種類有限。這就存在一個(gè)優(yōu)化配置的問題，即如何采用最小尺寸配置的3D打印機(jī)、最少數(shù)量的3D打印機(jī)以及最少種類的打印材料，滿足絕大部分武器裝備零部件的制造要求。這需要大量零部件性能測試的試驗(yàn)數(shù)據(jù)作為支撐。

4 結(jié)束語

目前，3D打印技術(shù)正處于飛速發(fā)展階段。 3D打印材料的種類正在逐步增加，特別是復(fù)雜金屬材料的3D打印取得了較大突破，其產(chǎn)品的性能也在穩(wěn)步提升。由公開的報(bào)告可以看出，3D打印產(chǎn)品的各種性能已經(jīng)接近于目前鍛造的同類零部件。3D打印的速度也在逐步加快，特別是一些復(fù)雜金屬零備件，其制備速度快于傳統(tǒng)制造的速度。可以預(yù)見，在不久的將來，將3D打印技術(shù)應(yīng)用于裝備維修是完全可能實(shí)現(xiàn)的。

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Research on the Application of 3D Printing Technology in Maintenance of Weapons and Equipment

LUO Dacheng1,2，LIU Yanfei1，WANG Zhaofeng3，LIU Zhiguo4，WANG Qiuyan1

(1.School of Science,Rocket Force University of Engineering,Xi’an 710025,China;2.75833 Troop of PLA，Guangzhou 510510,China;3.The Research Section,Rocket Force University of Engineering,Xi’an 710025,China;4.The No.3 Department,Rocket Force University of Engineering,Xi’an 710025,China)

In the early 21st century,the 3D printing technology achieved a major breakthrough in manufacturing metal parts,and started to be applied in manufacturing some of the parts for airplanes,rockets and etc.This provides 3D printing technology a valuable opportunity for the application in weapon equipment maintenance.In order to investigate the applications of 3D printing technology in maintenance of weapon and equipment,the current status of development,the basic principle and classification of 3D printing technology are introduced.The types of material used by 3D printer and the maximum sizes of the products printed that public released are summarized,it is concluded that the maximum sizes of the parts made by 3D printing technology can reach the level of cubic meters,so this can satisfy the requirements for most of the parts for weapon and equipment.The shortcomings of the methods adopted at present in weapon equipment maintenance and the superiority of 3D printing technology for its application in weapon equipment maintenance are analyzed.The applications of 3D printing technology in weapon equipment maintenance are discussed,including in producing complex components,the integrated molding of bonded block,and the maintenance of complex components.A novel model of weapon equipment maintenance based on the combination of duplicate components is presented.Finally,some of the technical issues which must be solved in weapon equipment maintenance are summed up. Research shows that 3D printing technology has a broad application prospect in weapons equipment maintenance.

Aerospace; Intelligent manufacturing; 3D printing; Increasing material manufacturing; Rapid forming technology; Integrated molding; Engine

羅大成(1981—)，男， 博士，講師,主要從事3D打印應(yīng)用技術(shù)、導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制等方向的研究。E-mail:luodcheng@163.com。

TH17;TP207

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201704008

修改稿收到日期：2016-10-19